双向直流电子变压器运行可靠性评估研究

周晓铭

（兰州资源环境职业技术大学，甘肃兰州，730020）

0 引言

变压器是一种重要的输配电设备，其不仅可以进行电流、电压、电阻变换，还能调整配电状态，提高输配电的安全性，因此其被广泛地应用于各个电力场景。双向直流电子变压器是变压器的一种，其主要通过电子元件、半导体等装置调整直流电压输入输出状态，完成输配电转换。与传统的变压器不同，电子变压器主要使用新型的电力电子转换技术进行能量转换，并结合电磁感应原理转换电力特征。研究表明，双向直流电子变压器的控制灵活性较高，但易受电力系统潮流变化影响，导致运行可靠性下降，不利于输配电系统运行，因此需要对双向直流电子变压器的运行可靠性进行评估。事实上，双向直流电子变压器可以按照电压变换的频率划分为单级双极三级式，但无论哪种类型，均具有较高的兼容性。其中，三级式电子变压器内部的各个环节均能独立完成能量变换，含有MMC 拓扑，能快速进行PET 拓展。单级双极式则仅能进行体变换。虽然双向直流电子变压器的运行谐波较小，但在某些特定的工况或环境下仍然会出现严重故障，不仅无法进行电力调节，甚至影响整个电力系统的输配电进度。因此，必须有效研究双向直流电子变压器的运行可靠性。目前大多数研究人员将平均故障率作为变压器运行可靠性研究的重要指标，但该指标过于单一，实际评估效果不佳。针对该问题，本文以某配电网的双向直流电子变压器为基础，有效地进行了运行可靠性评估。

1 概况及准备

在双向直流电子变压器的可靠性分析评估中，需要捕获电子变压器在不同工况下的运行参数，因此，本文选取RBTS-BUS2 作为变压器可靠性评估电网系统，该电网系统的拓扑结构如图1 所示。

图1 电网系统拓扑结构

由图1 可知，上述电网拓扑结构由F1～F4 馈线组成，其内部的LP1～LP22 均为运行负荷。该可靠性评估电网系统由2MW 配电网组成，内部负荷峰值始终在不断变化，研究每月的负荷变化如表1 所示。

表1 负荷变化表

由表1 可知，结合上述内部负荷变化，可以进行负荷点假设，即根据负荷荷载生成可靠性参数，如表2 所示。

表2 可靠性参数

由表2 可知，在上述设置的可靠性参数基础上，可以调制双向直流电子变压器的各项环节，即MMCDAB 环节使用5SNA 0800N3301100，此时的调制电压为1900V，共包含10 个子模块，各个子模块还配置了DC 输出转换系统。

在上述的电网系统技术上，本文安装了X 型双向直流电力电子变压器拓扑，其主要由输入、输出、隔离三个子部分组成。输入模块主要与电网拓扑结构的高压组成部分连接，输出部分与SM 基本单元连接，隔离与IGBT 连接。此时可以调整上述电力电子变压器至闭锁、切除状态，其内部的组成结构如图2 所示。

图2 X 型电力电子变压器结构

由图2 可知，上述电力电子变压器可以根据实际可靠性评估状态进行充放电转换，且内部桥臂呈互补关系，具有较强的负向偏置。为了降低谐振作用对可靠性评估造成的影响，该电力电子变压器内部设置了2 个H 桥，用高频DAB（dual active bridge）单元连接，符合后续的运行可靠性评估需求，可以利用上述电网拓扑结构和X 型电力电子变压器完成后续的可靠性评估。

2 评估过程

结合双向直流电子变压器的可靠性评估需求将可靠性评估过程划分为两个阶段：第一阶段，使用理想分析法对双向直流电子变压器内部的IGBT 模块进行了损耗、结温波动、运行故障率评估；第二阶段，利用可靠性手册评估双向直流电子变压器PET 设备的运行可靠性，从而得出了最终的可靠性评估结果。

第一阶段，双向直流电子变压器IGBT 模块的损耗、结温波动、运行故障率评估。电子变压器IGBT 模块的损耗与电流有效值相关，因此，需要根据内部器件的电流平均值计算电流有效值iavg，如式(1)所示。

式(1)中，VO代表IGBT 拟合参数，Pcon代表开关损耗，Ri代表开关频率，在理想状况下，可以进行桥臂分配假设，即预设电子变压器运行工况，生成IGBT 模块损耗评估模型IS，如式(2)所示。

式(2)中，m代表调制比，l代表三相电流幅值，F1代表功率系数，Im代表母线电流，σ代表相角，结合上述模型可以计算IGBT 模块损耗，得到IGBT 模块损耗可靠性评估结果。

在短时间内，双向直流电子变压器的结温波动可以用周期解读，因此本文使用理想分析法生成了结温波动预测解析模型，计算了结温波动幅值ΔTj，如式(3)所示。

式(3)中，A代表波动循环次数，代表结温均值，e代表能量系数，此时双向直流电子变压器的运行故障率与模块内部的老化作用有关。因此，可根据该作用设计运行故障率计算式λshot，如式(4)所示。

式(4)中，Dx代表结温老化周期，使用上述式(1)～式(4)可以有效进行损耗、结温波动、运行故障率评估。

第二阶段，双向直流电子变压器PET 设备的运行可靠性评估，PET 装置的整体可靠性可以用可靠性手册表示，从中提取的可靠度R如式(5)所示。

式(5)中，e代表PET 综合损耗，λ 代表可靠性参数，p(t)代表MMC 输入级输出级差值，此时可以根据可靠度的指数分布关系获取PET 装置的等效故障率，从而完成运行可靠性评估。

3 评估结果

根据上述的双向直流电子变压器运行可靠性评估分析，可以将可靠性评估划分成两个部分，第一部分是双向直流电子变压器IGBT 模块可靠性（损耗、结温波动、故障率），第二部分是双向直流电子变压器PET 设备运行可靠性，得到的评估结果如下所示：

第一部分，IGBT 模块可靠性。经过分析发现，电子变压器的IGBT 损耗始终在进行不同程度的改变，通过掌握各个预设模块初始的损耗，调整等效电流大小，得到的IGBT模块损耗可靠性结果如图3 所示。

图3 IGBT 模块损耗可靠性评估结果

由图3 可知，在传输功率不发生改变的情况下，随着双向直流电子变压器内部的等效电流增加，其总损耗逐渐增加，运行可靠性逐渐降低。除此之外，在双向直流电子变压器的不同工作环节，其总损耗也存在一定的差异。为了增加可靠性结果分析的准确性，在自然换流状态产生的导通损耗可以忽略不计。

使用上文中的式(3)可以计算各个环节的结温波动值，结合计算结果可知，随着IGBT 模块损耗增高，其结温波动幅值也越来越高，器件的损耗也越来越大。此时可以预设标准的通态损耗，保持响应时间及运行周期不变，将波动标准值设置为0.01℃～0.03℃，进行结温波动验证，即调整双向直流电子变压器的传输功率，得到的IGBT 模块结温波动结果如图4 所示。

图4 IGBT 模块结温波动评估结果

由图4 可知，在短时间内，IGBT 模块结温波动幅值变化不明显，但随着双向直流电子变压器传输功率的增加，IGBT 模块结温波动幅值越来越高，电子变压器的运行可靠性越来越低。为了降低该可靠性评估结果的随机性，本文选取波动较大的低温IGBT 模块，将其划分成多个功率变化阶段，此时得到的结温波动评估结果与上述相同，证明传输功率与结温波动幅值正相关，即随着传输功率增加，直流电子变压器IGBT 模块的运行可靠性逐渐降低。

结合上述结温波动结果可以进一步得到IGBT 模块的运行故障率，即以电子变压器的逆变环节为基础，调整DAB频次至0.0073.0068，此时IGBT 模块内部各个元器件的故障率评估结果如表3 所示。

表3 IGBT模块运行故障率评估结果

由表3 可知，逆变环节的IGBT 模块运行故障率始终高于其他环节，结合上述实验结果可知，其受结温波动影响较高。因此，随着结温波动的增加，IGBT 模块可靠性降低。

第二部分，双向直流电子变压器PET 设备运行可靠性。该部分首先对选取系统的可靠性进行了初步计算，获取了MTTF（mean time to failure，）及MTTR（mean time to repair），此时PET 设备（MMCDAB 环节）在不同冗余度下的故障率如图5 所示。

图5 PET 设备MMCDAB 可靠性评估结果

由图5 可知，随着冗余度增加，PET 设备的MMCDAB环节故障率均增加，运行可靠性逐渐降低，此时PET 装置的整体可靠性如表4 所示。

表4 PET装置整体可靠性评估结果

由表4 可知，在装置运行环境不变的情况下，PET 装置隔离子系统的等效故障率最高，即整体可靠性最低；阀冷子系统的等效故障率最低，整体可靠性最高，即结温波动与PET 装置的整体可靠性成反比关系。

在不同工况下，双向直流电子变压器内部的PET 装置运行存在一定的负荷变化，因此，本文结合基准负荷数据根据上述可靠性评估过程得到了PET 等效故障率评估结果（工况一无负荷增长工况二1.8 倍负荷增长工况三2 倍负荷增长），如图6 所示。

图6 PET 等效故障率评估结果

由图6 可知，在不同的工况下，PET 装置的等效故障率不同。结合各个工况的负荷增长结果可知，随负荷增长倍数增加，PET 装置的等效故障率逐渐降低，电子变压器的运行可靠性逐渐增加。

4 结论

双向直流电子变压器的运行可靠性与等效电流、传输功率、结温波动、冗余度，以及负荷增长倍数相关，所以设计双向直流电子变压器运行可靠性评估方法。结合运行可靠性评估结果可以针对双向直流电子变压器进行运行快速优化，最大程度上降低故障发生频率，为减少电子变压器运行风做出了一定的贡献。

5 结束语

综上所述，双向直流电子变压器是一种新型的电能转换装置，其不仅可以有效地进行电压、电流转换，还能调节输配电质量，因此被广泛地应用在各个规模的输配电网中。受配电系统潮流的影响，双向直流电子变压器的运行可靠性始终不断发生改变，运行可靠性过低不仅会影响输配电网运行，甚至会导致电力系统故障。因此本文针对双向直流电子变压器的运行可靠性进行了评估，为降低输配电风险，提高输配电运行有效做出了一定的贡献。